故障率對(duì)裝備通用質(zhì)量特性的作用分析

崔鎮(zhèn)韜，李健，宋月，陶宇茜

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100000）

引言

故障率、又稱失效率，是產(chǎn)品可靠性的一種基本參數(shù)，其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的期間內(nèi)，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比[1]。裝備的設(shè)計(jì)、工藝以及使用環(huán)境，都會(huì)對(duì)故障率產(chǎn)生影響，同時(shí)，故障率也關(guān)系著裝備的作戰(zhàn)能力，尤其與裝備的通用質(zhì)量工作息息相關(guān)。如今，隨著科技的不斷發(fā)展和世界局勢(shì)的變化，裝備面臨著使用環(huán)境復(fù)雜，貯存時(shí)間較長(zhǎng)等新形勢(shì)，因此，通用質(zhì)量特性的重要性日益凸顯。無論在裝備通用質(zhì)量特性的指標(biāo)論證、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證階段，故障率都起到了重要的作用。因此，有必要系統(tǒng)地分析故障率對(duì)于裝備通用質(zhì)量特性的影響，并通過故障率這一基本參數(shù)明確裝備六性之間的相互關(guān)系。

1 故障率的基本概況

1.1 基本概念

故障率是衡量產(chǎn)品可靠性的一個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)。在評(píng)估產(chǎn)品的使用壽命時(shí)，產(chǎn)品的失效率是重要的特征量。失效率的函數(shù)表達(dá)式為：

由公式可知，瞬時(shí)故障率的大小與產(chǎn)品的剩余壽命函數(shù)（即可靠度函數(shù)）和故障分布的概率密度函數(shù)相關(guān)。電子產(chǎn)品的失效率模型在實(shí)際中通常為浴盆形[2]，隨著時(shí)間的變化，可分為早期故障期，隨機(jī)故障期和磨損故障期，如圖1 所示。故障率與產(chǎn)品的可靠性呈現(xiàn)反比的關(guān)系，即故障率越低，則產(chǎn)品的可靠性水平越高[3]。

圖1 浴盆曲線

常用的故障率分布為指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布等，其中電子產(chǎn)品的失效率往往符合指數(shù)分布模型。將指數(shù)分布的產(chǎn)品壽命分布代入公式（1）可知，指數(shù)分布產(chǎn)品的瞬時(shí)失效率為常數(shù)。Vaupel 等通過將指數(shù)分布和威布爾分布混合得到了浴盆性失效率模型[4]。產(chǎn)品的故障率與其組成單元的數(shù)量和復(fù)雜程度相關(guān)，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)性產(chǎn)品，度過了早期失效期后，故障率往往趨于穩(wěn)定值[5]。在工程實(shí)踐中，為了計(jì)算方便，通常將產(chǎn)品的故障率視為恒定值。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)故障率研究工作與可靠性研究同步開展。電子工業(yè)部（原稱四機(jī)部）在20 世紀(jì)50 年代成立了專門的研究機(jī)構(gòu)，調(diào)查分析電子產(chǎn)品的失效情況。60 年代中期，航天部門開始了對(duì)故障率的研究。隨著改革開放，我國(guó)各個(gè)部門和單位逐漸意識(shí)到了可靠性對(duì)于產(chǎn)品的重要性。八十年代初，建立了“中國(guó)電子產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)”[6]，經(jīng)過大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集，相繼編寫出版了《電子元器件的失效率手冊(cè)》和《電子元器件失效率預(yù)計(jì)手冊(cè)》。目前，常用的失效率依據(jù)包括GJB 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和GJB/Z 108A《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》等，綜合分析元器件的質(zhì)量控制等級(jí)、環(huán)境應(yīng)力、應(yīng)用狀態(tài)和結(jié)構(gòu)等信息，分別明確了元器件的工作失效率和非工作失效率。

國(guó)外對(duì)于故障率的關(guān)注，直接標(biāo)志了可靠性指標(biāo)的誕生。20 世紀(jì)40 年代，英國(guó)航空行業(yè)首次提出了可靠性指標(biāo)，航空產(chǎn)品的故障率不得高于10-5/h[7]。息息相關(guān)美國(guó)的故障率研究工作源于上世紀(jì)50 年代，二戰(zhàn)期間，電子器件故障頻發(fā)，促使了電子設(shè)備可靠性咨詢組（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）的成立。1956 年，美國(guó)可靠性分析中心（Reliability Analysis Center）研究得到了元器件故障率的數(shù)學(xué)模型。1960 年，基于統(tǒng)計(jì)得到的大量數(shù)據(jù)，美國(guó)海軍提出了已經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)的電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)（MILHDBK-217A），該手冊(cè)提出了電子器件故障率的計(jì)算方法。1962 年，由于電子元器件的發(fā)展速度迅猛，試驗(yàn)累計(jì)數(shù)據(jù)來計(jì)算故障率的方法無法滿足元器件的發(fā)展需求，美國(guó)從材料的失效機(jī)理入手，將故障率與故障機(jī)理相結(jié)合，提出了故障物理方法[8]。在后續(xù)故障率評(píng)估的發(fā)展中，隨著元器件的加工工藝越來越成熟，產(chǎn)品的復(fù)雜度逐漸升高，元器件故障率對(duì)系統(tǒng)的影響逐漸減弱，學(xué)者們通過使用相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸收衔锢矸椒ńY(jié)合等方法來得到產(chǎn)品準(zhǔn)確的故障率[9]。

2 故障率對(duì)通用質(zhì)量特性的作用

通用質(zhì)量特性可分為可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性。通用質(zhì)量特性要求貫穿裝備從研制、試驗(yàn)到使用的全過程，通用質(zhì)量特性的工作質(zhì)量直接決定了裝備的使用質(zhì)量和使用壽命等重要指標(biāo)。針對(duì)這一重要指標(biāo)，國(guó)家發(fā)布了一系列軍用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，形成了全面的通用質(zhì)量特性要求體系。根據(jù)GJB 900C《質(zhì)量管理體系》，裝備的研制單位要在研制過程中依據(jù)GJB 450A 等標(biāo)準(zhǔn)的要求，明確產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性要求，編制通用質(zhì)量特性工作計(jì)劃，逐項(xiàng)開展通用質(zhì)量特性工作的設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。結(jié)合六性對(duì)應(yīng)的工作要求，逐個(gè)分析故障率對(duì)于裝備六性的作用。

2.1 故障率對(duì)可靠性的作用

開展可靠性的工作目標(biāo)是為了確保裝備達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，保持或提高可靠性水平，以滿足裝備的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性等要求、降低對(duì)保障資源的要求、減少壽命周期費(fèi)用。故障率作為可靠性的基本參數(shù)，對(duì)GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》[10]中的可靠性分配、可靠性預(yù)計(jì)、FMECA、可靠性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)和可靠性評(píng)估與改進(jìn)等工作項(xiàng)目都有著重要的影響。

1）產(chǎn)品可靠性的分配是指將可靠性的定量指標(biāo)分配到規(guī)定的產(chǎn)品層級(jí)。可靠性分配通常以各層級(jí)產(chǎn)品的故障率為基礎(chǔ)，通過建立的可靠性模型，將指標(biāo)通過故障率向下級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行分配。常用的可靠性分配方法包括等比例分配法、加權(quán)分配法、AGREE 分配法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃分配法等[11]。針對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)，通常采用比例分配法，分配給單元的可靠性指標(biāo)與單元的故障率成正比，準(zhǔn)確的單元故障率才會(huì)得到準(zhǔn)確的可靠性分配結(jié)果，從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和原材料選擇提供依據(jù)；

2）可靠性預(yù)計(jì)與可靠性分配同步進(jìn)行，反復(fù)迭代以確定結(jié)果的準(zhǔn)確性。確定組成產(chǎn)品的零部件的失效分布是開展可靠性預(yù)計(jì)工作的前提，也決定了可靠性預(yù)計(jì)和建模的準(zhǔn)確性。元器件計(jì)數(shù)法為最為常用的可靠性預(yù)計(jì)法之一，而元器件計(jì)數(shù)法的基礎(chǔ)是通過大量數(shù)據(jù)得到的元器件在各種環(huán)境下的故障率信息?？煽啃越：皖A(yù)計(jì)工作要根據(jù)故障率信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，才能在產(chǎn)品的研制過程中及時(shí)提供有效的信息，從而起到指導(dǎo)的作用。隨著裝備逐漸趨于復(fù)雜化，系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的元器件數(shù)量增多。元器件故障率的準(zhǔn)確性也直接影響著可靠性預(yù)計(jì)和分配結(jié)果的準(zhǔn)確性。王建軍等通過分析比較國(guó)軍標(biāo)、美軍標(biāo)及民用企業(yè)的可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的元器件故障率差距較大，軍標(biāo)的元器件故障率對(duì)環(huán)境因子更敏感，民用標(biāo)準(zhǔn)的元器件故障率對(duì)電應(yīng)力系數(shù)更敏感[12]。與裝備在使用中實(shí)際得到的可靠性水平相比，使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，結(jié)果也往往過于保守，從而給設(shè)計(jì)和周期帶來了不必要的負(fù)擔(dān)[13]；

3）故障率影響著產(chǎn)品故障模式的危害性分析，常用的危害性分析方法包括風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法和危害性矩陣法，產(chǎn)品的故障率是這兩種方法中確定故障嚴(yán)酷等級(jí)的重要參數(shù)之一；

4）合理的故障率指標(biāo)能夠保證可靠性試驗(yàn)的方案正確選擇。可靠性試驗(yàn)的目的是獲得產(chǎn)品的可靠性真實(shí)水平，并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷[14]。試驗(yàn)的故障率考核指標(biāo)設(shè)置是否合理，直接決定了可靠性試驗(yàn)方案的經(jīng)濟(jì)型和數(shù)據(jù)收集的有效性。過高的指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的研制改進(jìn)過程較長(zhǎng)，而偏低的指標(biāo)則無法充分暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，無法評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平；

5）通過可靠性試驗(yàn)累計(jì)得到的產(chǎn)品的故障率信息，可以作為相似產(chǎn)品開展可靠性工作的重要依據(jù)，在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段，通常使用相似產(chǎn)品法開展可靠性預(yù)計(jì)等工作[8]。

2.2 故障率對(duì)維修性的作用

開展維修性的工作目標(biāo)是提高裝備的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，減少維修人力及其他維修保障資源要求[15]。故障率是產(chǎn)品維修性工作開展的重要輸入信息。

構(gòu)建產(chǎn)品的維修性數(shù)學(xué)模型時(shí)，產(chǎn)品各個(gè)組成單元的故障率與該組成部分對(duì)系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間的影響成正比；

開展維修性分配工作時(shí)，常用的分配方法包括故障率分配法和故障率設(shè)計(jì)特性加權(quán)分配法。故障率越高的單元分配的維修時(shí)間越短；

故障率數(shù)據(jù)同樣是開展維修性預(yù)計(jì)工作的前提條件，常用的維修性預(yù)計(jì)方法單元對(duì)比法、功能層次預(yù)計(jì)法和時(shí)間累積預(yù)計(jì)法都需要明確系統(tǒng)各個(gè)單元的位置和故障率；

開展維修性試驗(yàn)時(shí)，若自然故障所產(chǎn)生的維修作業(yè)樣本不足時(shí)，則使用人工模擬樣本進(jìn)行補(bǔ)足。模擬故障樣本的分布通常按照產(chǎn)品的故障率的比例進(jìn)行分配[16]。

2.3 故障率對(duì)測(cè)試性的作用

測(cè)試性是指產(chǎn)品能及時(shí)并準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（正常工作、不可工作或性能下降），并隔離其內(nèi)部故障的能力[17]。

目前測(cè)試性的分配方法主要可以分為函數(shù)法和優(yōu)先分配法[18]。最基礎(chǔ)的函數(shù)法為故障率分配法，即以產(chǎn)品組成單元的故障率和數(shù)量為主要參數(shù)，對(duì)測(cè)試性指標(biāo)主機(jī)分配。在故障率的基礎(chǔ)上加入其他統(tǒng)計(jì)參數(shù)，發(fā)展出了其他函數(shù)法：加入了修復(fù)時(shí)間、故障檢測(cè)與隔離難度的加權(quán)分配法和針對(duì)部分單元測(cè)試性指標(biāo)已知情況的老產(chǎn)品分配法[19]。通過遺傳算法、粒子群算法等構(gòu)建優(yōu)化模型的分配方式，故障率同樣是其構(gòu)建基礎(chǔ)矩陣的重要參數(shù)[20]；

測(cè)試性指標(biāo)分配需要計(jì)算故障模式或故障單元的總故障率，相應(yīng)單元分配的指標(biāo)與計(jì)算得到總故障率成正比；

在開展機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)（BIT）和外部測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，測(cè)試點(diǎn)位置的布局和優(yōu)選需要考慮故障率情況[21]，通過以故障率、測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用等為參數(shù)的公式計(jì)算出測(cè)試點(diǎn)的選擇方案；

在設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元（LRU）時(shí)，需要對(duì)LRU 的故障率信息進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)于互相有關(guān)聯(lián)的LRU，要盡量通過設(shè)計(jì)與元器件選型等工作來保證故障率相差不大；

在確定測(cè)試性的試驗(yàn)方案時(shí)，樣本量的確定和樣本數(shù)量的分配都與單元的故障率相關(guān)。當(dāng)采用功能單元覆蓋要求確定樣本量下限時(shí)，需要已知受試產(chǎn)品及產(chǎn)品各個(gè)單元故障率的最小值[22]。

2.4 故障率對(duì)保障性的作用

裝備保障性的定義為裝備的設(shè)計(jì)特性和計(jì)劃的保障資源滿足平時(shí)戰(zhàn)備和戰(zhàn)時(shí)使用要求的能力。作為一次性使用產(chǎn)品的保障性參數(shù)之一，保障性工作的成功實(shí)施與故障率密切相關(guān)。

在制定裝備的保障方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過產(chǎn)品的故障率信息來確定備件的數(shù)量，制定在使用前后的檢查計(jì)劃，科學(xué)合理的安排需要的維修和測(cè)試人員。

裝備的預(yù)計(jì)故障率，是制定預(yù)防性維修方案的重要依據(jù)，準(zhǔn)確的裝備故障率信息，可以確保預(yù)防性維修工作的有效開展。

2.5 故障率對(duì)安全性的作用

安全性的工作目標(biāo)是將裝備的風(fēng)險(xiǎn)控制到可接受的水平，識(shí)別、消除或降低其風(fēng)險(xiǎn)，遵循預(yù)防為主、早期投入的原則。安全性的主要工作是避免事故發(fā)生，準(zhǔn)確的故障率信息可以使安全性工作的開展事半功倍。

在分析和評(píng)價(jià)危險(xiǎn)的過程中，危險(xiǎn)嚴(yán)重性和危險(xiǎn)可能性是兩大重要的指標(biāo)，其中危險(xiǎn)可能性的等級(jí)通過產(chǎn)品的故障率來確定[23]。

故障率同樣是評(píng)價(jià)產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)之一，可以通過對(duì)故障率較高的單元進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)的審查，以避免裝備在工作時(shí)出現(xiàn)安全問題。

2.6 故障率對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的作用

環(huán)境適應(yīng)性是產(chǎn)品在其壽命期內(nèi)預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能和不被破壞的能力，通常開展環(huán)境試驗(yàn)來進(jìn)行考核。

在進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前確定進(jìn)行參數(shù)實(shí)測(cè)的必要性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)采用的風(fēng)險(xiǎn)率，這些往往都需要以產(chǎn)品的故障率信息為支撐。

產(chǎn)品在開展環(huán)境試驗(yàn)發(fā)生故障時(shí)，故障率信息可以提高故障定位和分析工作的效率。

3 結(jié)論

本文通過分析通用質(zhì)量特性的主要工作內(nèi)容，分析得到了故障率不僅是可靠性的重要參數(shù)之一，同時(shí)也對(duì)裝備的維修性、測(cè)試性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等其他設(shè)計(jì)特性具有重要意義。在研究和生產(chǎn)的過程中，獲得準(zhǔn)確的故障率分布及數(shù)據(jù)，對(duì)于裝備通用質(zhì)量特性指標(biāo)的確定和提高裝備的通用質(zhì)量特性水平具有重要的支撐作用。同時(shí)通過分析可知，產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性之間是協(xié)調(diào)的，設(shè)計(jì)要求和定量指標(biāo)可以通過產(chǎn)品的故障率相關(guān)聯(lián)，在后續(xù)研究中，可進(jìn)一步探討基于故障率對(duì)產(chǎn)品六性指標(biāo)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。